糖尿病腎病腎小管損傷機(jī)制

李 申 綜述 劉志紅 審校

糖尿病腎病(DN)是糖尿病最常見的微血管并發(fā)癥之一。隨著我國糖尿病患病率不斷增加，DN發(fā)病率也隨之升高。據(jù)調(diào)查研究顯示， DN已超越腎小球腎炎，成為我國住院患者慢性腎臟病(CKD)的首要病因[1]。美國近20年的調(diào)查研究數(shù)據(jù)顯示，糖尿病的重要并發(fā)癥(如心腦血管事件等)得到有效控制時，糖尿病導(dǎo)致終末期腎病(ESRD)的發(fā)生率并無明顯降低[2]，提示目前我們?nèi)匀蝗狈τ行Ц深A(yù)手段延緩DN的進(jìn)展。

DN病理改變包括腎小球硬化、腎小管間質(zhì)纖維化及腎血管病變。目前DN的機(jī)制研究多集中于腎小球損傷，且臨床上用于評判DN病情的指標(biāo)也多基于腎小球結(jié)構(gòu)和功能的改變[3]，但腎小管間質(zhì)占腎實質(zhì)90%以上，肩負(fù)著多種重要功能，腎小管間質(zhì)損傷在DN進(jìn)展過程中發(fā)揮了重要作用。近年來，DN的腎小管間質(zhì)損傷研究進(jìn)展迅速，本文就相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

糖尿病的腎小管結(jié)構(gòu)和功能改變

腎單位是腎臟基本功能單元，由腎小球、腎小管及腎間質(zhì)構(gòu)成。腎小管包括近端腎小管和遠(yuǎn)端腎小管，其中近端腎小管通過包囊尿極直接與壁層上皮細(xì)胞相連。近端腎小管細(xì)胞管腔面附有刷狀緣，可以增加細(xì)胞表面積，利于腎小管重吸收。此外，它是一種代謝旺盛的細(xì)胞，富有線粒體、溶酶體等細(xì)胞器[4]，對能量需求大，其對損傷非常敏感。

糖尿病時，腎小管管腔中高濃度的葡萄糖和次級代謝產(chǎn)物，可誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞損傷。經(jīng)腎小球濾過的葡萄糖有99%被近端腎小管重吸收，特別是近端腎小管S1區(qū)段中的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2(Sodium-glucose Cotransporter-2，SGLT2)，介導(dǎo)了腎臟中90%葡萄糖的重吸收[5]。研究表明，2型糖尿病(T2DM)患者，即使血糖控制良好，其腎糖閾及葡萄糖重吸收能力(maximum renal glucose reabsorptive Capacity，TmG)也高于正常人群[6]。近端腎小管上皮細(xì)胞在攝入超量葡萄糖后，可誘導(dǎo)多種細(xì)胞因子的表達(dá)和釋放，如血小板衍生生長因子、胰島素樣生長因子1和表皮生長因子(EGF)等，繼而引起腎小管上皮細(xì)胞增殖和肥大[7]。高糖狀態(tài)還會導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞線粒體功能障礙，從而釋放更多氧化應(yīng)激產(chǎn)物，介導(dǎo)細(xì)胞損傷。此外，腎小管在重吸收葡萄糖的同時，亦可通過SGLT2等導(dǎo)致Na+重吸收的增加，通過致密斑的管球反饋機(jī)制，導(dǎo)致腎小球出現(xiàn)高灌注、高壓力和高濾過的變化，加重腎臟損傷。因此，臨床應(yīng)用SGLT2抑制劑，如達(dá)格列凈，增加尿糖排泄，從而控制血糖，保護(hù)腎功能[6]。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)腎小管結(jié)構(gòu)異常在DN早期即出現(xiàn)，甚至早于腎小球結(jié)構(gòu)異常，且部分患者腎小球結(jié)構(gòu)沒有顯著異常就可出現(xiàn)蛋白尿等臨床表型。近端腎小管的結(jié)構(gòu)特征使得其在糖尿病狀態(tài)下更容易受到打擊。當(dāng)包囊和近端腎小管的連接處受到損傷而發(fā)生萎縮，會形成無功能的無管腎小球。Najafian等[8-9]發(fā)現(xiàn)，即使在估算的腎小球濾過率(eGFR)正?；蛑卸仁軗p的DN患者中，就有17%腎小球為無管腎小球，51%腎小球附著于萎縮的腎小管。White等[10]也發(fā)現(xiàn)，在T2DM合并DN患者中，有7%患者存在無管腎小球，即使是在微量白蛋白尿的DN患者中，仍有26%患者出現(xiàn)球管連接異常，其異常比例與肌酐清除率負(fù)相關(guān)(r=-0.70，P=0.011)。

代謝異常加重腎小管損傷

腎小管細(xì)胞是線粒體富集細(xì)胞，需要大量三磷酸腺苷(ATP)維持正常功能。糖尿病狀態(tài)下，各種代謝底物傳遞紊亂導(dǎo)致ATP合成異常，從而影響腎小管上皮細(xì)胞正常功能，也是啟動腎小管損傷和間質(zhì)纖維化的始動因素之一。

高血糖可通過多種葡萄糖代謝途徑誘導(dǎo)代謝異常，并誘導(dǎo)線粒體功能障礙，線粒體分裂增多，過度產(chǎn)生活性氧。Sun等[11]發(fā)現(xiàn)高血糖狀態(tài)下，腎小管上皮細(xì)胞線粒體的形態(tài)和功能發(fā)生改變，線粒體中Ras相關(guān)蛋白1b(Ras-related protein 1，Rap1b)的GTP酶活性和Bcl-2的表達(dá)下調(diào)，Bax表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡增加。過表達(dá)Rap1b可改善高糖誘導(dǎo)的線粒體線形態(tài)與功能障礙，減輕細(xì)胞凋亡。近期Qi等[12]分析了糖尿病患者與DN患者的腎小球轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相比于健康人群以及DN患者，丙酮酸激酶M2(Pyruvate kinase M2，PKM2)在未并發(fā)DN的糖尿病患者中顯著上調(diào)。PKM2是糖酵解的限速酶之一，在糖酵解的產(chǎn)能中發(fā)揮重要作用，可以使磷酸烯醇式丙酮酸和ADP變?yōu)锳TP和丙酮酸。進(jìn)一步的機(jī)制研究證實，PKM2活化可增加糖酵解，抑制毒性葡萄糖代謝物的產(chǎn)生，誘導(dǎo)線粒體融合，從而恢復(fù)線粒體功能來防止DN，這也證實了PKM2在未來作為干預(yù)DN發(fā)生發(fā)展的分子靶點的價值。

除了高血糖外，糖尿病狀態(tài)下脂肪酸代謝紊亂也可導(dǎo)致腎小管間質(zhì)損傷。正常情況下，腎小管上皮細(xì)胞優(yōu)先通過脂肪酸氧化(FAO)來提供能量，即使在疾病狀態(tài)導(dǎo)致脂肪酸代謝下降時，其依舊優(yōu)先利用脂肪酸供能，而非通過燃燒葡萄糖提供能量。有研究發(fā)現(xiàn)，與正常對照相比，腎小管間質(zhì)纖維化的腎臟病患者和小鼠模型的腎小管上皮細(xì)胞內(nèi)的FAO的關(guān)鍵酶和調(diào)節(jié)因子的表達(dá)顯著降低[13]。該研究發(fā)現(xiàn)， 抑制腎小管上皮細(xì)胞中的FAO，腎小管上皮細(xì)胞會出現(xiàn)ATP消耗增加、細(xì)胞死亡、細(xì)胞去分化和細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)沉積等纖維化表型，導(dǎo)致腎小管間質(zhì)纖維化的發(fā)生。相反，恢復(fù)FAO可發(fā)揮減緩腎臟纖維化過程的作用。此外，很多microRNA也被發(fā)現(xiàn)可通過調(diào)節(jié)代謝途徑，發(fā)揮影響DN發(fā)生與發(fā)展的作用。如miR-21可通過下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體α加重腎小管損傷和纖維化[14]。

圖1 腎小管上皮細(xì)胞在DN間質(zhì)纖維化過程中的作用DN時，腎小管上皮細(xì)胞通過多種細(xì)胞途徑誘發(fā)細(xì)胞凋亡，基質(zhì)沉積，上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)分化，細(xì)胞周期阻滯及炎癥等，從而導(dǎo)致間質(zhì)纖維化;DN:糖尿病腎病;ROS:活性氧；PKC:蛋白激酶C；TGF-β1：轉(zhuǎn)錄生長因子β1；AngⅡ:血管緊張素Ⅱ；NF-κB:核因子κB；Rap1b：Ras相關(guān)蛋白1b；Caspase：含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶；PPARα：過氧化物酶體增殖物激活受體α；FAO:脂肪酸氧化；ERK1/2:細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2；CDKIs：細(xì)胞周期蛋白依賴性蛋白激酶抑制因子；cyclinE:細(xì)胞周期蛋白E;CDK:細(xì)胞周期蛋白依賴性蛋白激酶

蛋白尿加重腎小管損傷

過量尿蛋白對腎小管具有毒性作用。腎小管上皮細(xì)胞可通過megalin，cublin重吸收尿蛋白。暴露于高濃度白蛋白的近端腎小管上皮細(xì)胞會分泌趨化因子和炎性因子，如白細(xì)胞介素1β(IL-1β)、IL-6、IL-8、趨化因子配體2等[15]，激活核因子κB(NF-κB)途徑，加重腎臟炎癥，導(dǎo)致腎臟損傷。此外，Wu等[16]發(fā)現(xiàn)，白蛋白超載還會使得腎小管上皮細(xì)胞出現(xiàn)上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)分化(EMT)，誘導(dǎo)腎臟纖維化。并且越來越多研究發(fā)現(xiàn)，腎小管的蛋白超載可通過多種信號途徑，如線粒體相關(guān)凋亡途徑，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)凋亡途徑等導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞凋亡。Erkan等[17]發(fā)現(xiàn)白蛋白可通過誘導(dǎo)線粒體釋放細(xì)胞色素C，活化含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3和9，從而誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞凋亡(圖1)。

腎小管損傷加重腎臟損傷

腎小球腎小管的損傷也可誘導(dǎo)腎小球的損傷。Hasegawa等[18]構(gòu)建了腎小管特異性過表達(dá)Sirt1基因的鏈脲佐菌素(STZ)小鼠，發(fā)現(xiàn)可以顯著減輕STZ小鼠蛋白尿。進(jìn)一步的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)， Sirt1可調(diào)控腎小管上皮細(xì)胞煙酰胺單核苷酸(NMN)的分泌，而NMN可被逆向運送至腎小球，并被足細(xì)胞吸收，調(diào)控足細(xì)胞中緊密連接蛋白表達(dá)，從而影響腎小球功能。Grgic 等[19]利用白喉毒素細(xì)胞剔除系統(tǒng)，于小鼠腎小管上皮細(xì)胞特異表達(dá)白喉毒素受體，隨后給予DT反復(fù)刺激，以單純損傷近端腎小管的S1 /S2 段，但可以觀察到腎小球硬化的發(fā)生。

腎血管DN發(fā)生過程中，在腎小球及小管間質(zhì)發(fā)生形態(tài)改變之前，腎臟血流動力學(xué)就會發(fā)生變化，如血管活性物質(zhì)失衡，出球小動脈收縮，管周毛細(xì)血管血流灌注降低等。這些變化會繼而誘發(fā)腎組織慢性缺氧，導(dǎo)致或加重腎小管間質(zhì)損傷。與此同時，腎小管上皮細(xì)胞的損傷也會導(dǎo)致腎血管的病變。體外培養(yǎng)近端腎小管上皮細(xì)胞表明，高糖環(huán)境可刺激其血管緊張素Ⅱ(Ang Ⅱ)的高表達(dá)。而Ang Ⅱ可直接損傷內(nèi)皮細(xì)胞。有研究發(fā)現(xiàn)，Ang Ⅱ可導(dǎo)致腎臟管周毛細(xì)血管網(wǎng)密度降低，給予血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑(ACEI)則可緩解或逆轉(zhuǎn)這一損傷[20]。

腎間質(zhì)纖維化既往研究多認(rèn)為CKD的始發(fā)因素是腎小球損傷，而腎小管損傷則繼發(fā)于腎小球損害。近來，越來越多研究表明，腎小管損傷可能才是腎臟疾病的始動因素。一個有力的證據(jù)就是，在急性腎損傷(AKI)后，腎臟出現(xiàn)腎小管萎縮和間質(zhì)纖維化等病理改變，但腎小球形態(tài)正常。有研究表明，AKI后，部分腎小管上皮細(xì)胞出現(xiàn)生長停滯和再分化失敗，這類異常的腎小管上皮細(xì)胞可以表達(dá)促纖維肽，并且激活多個促纖維化信號通路，從而導(dǎo)致腎間質(zhì)纖維化和CKD的發(fā)生[21]。

另一個證據(jù)來源于目前對早期DN患者微量白蛋白尿的研究。既往關(guān)于蛋白尿的研究都聚焦于腎小球的濾過能力，但由于近端腎小管上皮細(xì)胞具備蛋白重吸收的能力，因此DN患者的微量白蛋白尿是由于腎小球濾過障礙還是近端腎小管重吸收功能減退所致，仍存在爭議。Russo等[22]選取12周STZ大鼠作為早期DN模型，用雙光子顯微鏡觀測了其體內(nèi)白蛋白濾過及重吸收過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使STZ大鼠和正常對照的蛋白尿水平不同，但是兩組間腎小球濾過功能并無明顯差異。而與正常對照相比，STZ組大鼠近端腎小管重吸收能力明顯減弱，導(dǎo)致熒光標(biāo)記的蛋白出現(xiàn)在終尿中，這提示早期觀察到的蛋白尿是腎小管重吸收功能障礙所導(dǎo)致的。

腎小管損傷除誘發(fā)DN之外，還密切參與腎間質(zhì)纖維化。在糖尿病情況下，近端腎小管及腎間質(zhì)會發(fā)生一系列的結(jié)構(gòu)性變化，如腎小管萎縮、間質(zhì)性纖維化和管周毛細(xì)血管減少，其均與腎臟功能下降密切相關(guān)。腎小管間質(zhì)纖維化更是多種CKD進(jìn)行性發(fā)展的病理學(xué)基礎(chǔ)。An等[23]通過對DN患者的腎組織切片染色分析發(fā)現(xiàn)，間質(zhì)纖維化及腎小管萎縮程度與腎臟結(jié)局密切相關(guān)。此外，機(jī)制研究亦表明，DN時，腎小管上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄生長因子β1表達(dá)增加，Wnt-β catenin等信號通路激活，多種信號通路之間交互作用，繼而誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯，凋亡，EMT，以及通過Smad家族增加促纖維化分子的轉(zhuǎn)錄等方式參與腎小管間質(zhì)纖維化(圖1)。

此外，基于腎小管損傷的腎臟病預(yù)后標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)，也進(jìn)一步證實了腎小管間質(zhì)損傷在腎臟疾病進(jìn)展中的重要作用。肝臟型脂肪酸結(jié)合蛋白、嗜中性粒細(xì)胞明膠酶相關(guān)的脂質(zhì)運載蛋白、腎損傷分子 1等均可用于AKI的早期診斷。在DN人群中，上述生物標(biāo)志物亦在微量白蛋白患者中升高，并且與eGFR下降相關(guān)，但這種相關(guān)性在經(jīng)過蛋白尿等校正后，不再具有統(tǒng)計學(xué)意義[24]。Ju等[25]通過腎小管間質(zhì)組織發(fā)現(xiàn)EGF在CKD患者與正常對照之間差異表達(dá)，并發(fā)現(xiàn)無論在尿液蛋白水平還是腎組織mRNA水平，EGF均與eGFR及eGFR下降斜率顯著相關(guān)，有效預(yù)測CKD患者的預(yù)后，且針對其中的DN患者亞組分析表明，EGF是DN有效的預(yù)后生物標(biāo)志物。

小結(jié)：腎小管損傷是DN發(fā)生發(fā)展中的關(guān)鍵一環(huán)。介導(dǎo)腎小管損傷的機(jī)制復(fù)雜，包括了代謝機(jī)制、血流動力學(xué)機(jī)制、免疫炎癥機(jī)制、腎小管細(xì)胞同其他腎臟固有細(xì)胞的相互作用等。而腎小管損傷后，又可通過多種途徑介導(dǎo)腎小球硬化和腎臟纖維化的過程。DN腎小管損傷機(jī)制研究在DN分子機(jī)制研究中占據(jù)重要地位，特別是目前一些新的研究方法，如組學(xué)研究、雙光子顯微鏡、分子示蹤技術(shù)等在腎小管損傷機(jī)制研究中的應(yīng)用，有望揭示新的延緩DN疾病進(jìn)展的分子干預(yù)靶點和手段，對于改善DN患者遠(yuǎn)期預(yù)后具有重要作用。

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